Уравнивание потенциалов

 Роль электрических и электронных устройств в нашей профессиональной и повседневной жизни постоянно растет. Технологически сложное оборудование и устройства в таких учреждениях, как больницы или пожарные части, являются жизненно важными системами, обеспечивающими нашу безопасность, без которых невозможно обойтись, и нарушение работы которых может привести к непоправимым последствиям. Для чувствительных телекоммуникационных сетей, например, в банках или информационных агентствах, также необходима надежная защита ввиду их важности и значения.

Скрытую угрозу для таких систем представляют не только прямые удары молний.  Гораздо больший ущерб современным электронным механизмам наносят перенапряжения, обусловленные удаленными грозовыми разрядами или коммутационными процессами, возникающими в сетях. При грозовых явлениях за короткие промежутки времени образуется большое количество энергии. Пиковые напряжения проникают в здание по проводам или по любым проводящим соединениям и вызывают серьезные нарушения.

Как перенапряжения влияют на нашу повседневную жизнь? В первую очередь, следует отметить выход из строя электрических устройств. К ним относятся бытовые приборы, без которых не возможно представить нашу повседневную жизнь:

• телевизоры/DVDпроигрыватели;
• телефоны;
• компьютеры, музыкальные системы;
• кухонная бытовая техника;
• системы наблюдения;
• системы пожарной сигнализации.

Выход из строя этих приборов,безусловно, связан с высокими затратами.

Однако неисправность оборудования является причиной косвенного ущерба:

• потеря электронных данных в компьютерах;
• выход из строя отопительных/водонагревательных систем;
• поломка лифтов, приводов гаражных вороти жалюзи;
• нарушение функций пожарной/охранной сигнализации или ложное срабатывание.

Как правило, для офисных зданий жизненно важным является следующее:

• Может ли полноценно выполняться работа предприятия без центрального компьютера или сервера?
• Удалось ли своевременно сохранить все важные данные?

 Растущие суммы ущерба? Текущая статистика и анализ данных страховых компаний свидетельствует: в связи с растущей зависимостью от электронных систем ущерб, вызванный перенапряжениями, принимает угрожающие размеры, и это еще без учета последующих дополнительных затрат и стоимости простоя. Поэтому неудивительно, что страховые компании все чаще проверяют страховые случаии предписывают в своих условиях обязательную установку устройств защиты от перенапряжений. С информацией по мерам защиты можно ознакомиться, например, в директиве VdS2010 или в стандарте ГОСТ Р 50571.262002. 

Возникновение грозовых разрядов

Типы грозовых разрядов

90% всех грозовых разрядов меж­ду облаком и землей являются от­рицательными разрядами облако- земля. Молния возникает в отрица­тельно заряженной области обла­ка и перемещается к положитель­но заряженному грунту. Другие разряды подразделяются на:

• отрицательные разряды земля- облако;
• положительные разряды обла­ко-земля;
• положительные разряды зем­ля-облако.

Большинство разрядов образуется в пределах одного облака или между облаками.

Возникновение грозовых разря­дов

При подъеме теплых и влажных воздушных масс влажность возду­ха конденсируется, и на больших высотах образуются кристаллы льда. Грозовой фронт возникает, если размеры облака достигают 15 000 м в длину. Восходящие воз­душные потоки со скоростью до 100 км/ч приводят к тому, что лег­кие кристаллы льда попадают в верхнюю часть облака, а мелкий град в его нижнюю часть. Из-за столкновений и трения возникает разделение зарядов.

Отрицательные и положитель­ные заряды

Исследования подтверждают, что расположенный в нижней ча­сти облака мелкий град (область теплее -15 °C) несут отрицатель­ный заряд, а кристаллы льда в его верхней части (область холоднее - 15 °C) несут положительный за­ряд. Восходящие воздушные пото­ки поднимают легкие кристаллы льда в верхнюю часть облака, а мелкий град перемещается в его центральную часть.

Таким об­разом, облако делится на три ча­сти:

• верхняя часть - положительно заряженная зона;
• центральная часть - узкая от­рицательно заряженная зона;
• нижняя часть - слабая положи­тельно заряженная зона.

Это деление зарядов создает в об­лаке напряжение.

Распределение зарядов

Типичное распределение зарядов:

• В верхней части облака поло­жительный заряд, в его цен­тральной части - отрицатель­ный и в нижней части - слабый- положительный.
• В области рядом с грунтом располагается положительный заряд.
• Необходимая для разряда мол­нии напряженность поля зави­сит от изолирующей способно­сти воздуха и составляет от 0,5 до 10 кВ/см.

 Переходное перенапряжение

Переходное перенапряжение яв­ляется кратковременным повы­шением напряжения в диапазоне микросекунды, которое может в несколько раз превышать номи­нальное напряжение сети.

Прямой удар молнии

Максимальные пики напряжения в низковольтных сетях являются следствием грозовых разрядов. Высокая энергоемкость молнии при прямом ударе в систему внеш­ней молниезащиты без защиты от перенапряжений или в незащищен­ную низковольтную линию, как правило, приводит к полному выво­ду из строя подключенных потре­бителей и повреждению изоляции.

Индуцированные пики напряже­ния и коммутационные пере­напряжения

Индуцированные пики напряжения в проводке здания, а также в под­водящих силовых и телекоммуни­кационных линиях могут достигать значений, превышающих номи­нальное рабочее напряжение сети в несколько раз. К немедленному выводу установок из строя могут привести коммутационные пере­напряжения, которые не вызывают столь высоких пиков напряжения, как грозовые разряды, но возни­кают гораздо чаще. Как правило, коммутационные перенапряжения превышают рабочее напряжение сети в 2 - 3 раза, а перенапряже­ния молнии иногда могут превы­шать номинальное напряжение се­ти в 20 раз и передавать большое количество энергии.

Последующий выход оборудова­ния из строя

Часто оборудование выходит из строя с некоторой задержкой, так как вызванное незначительными переходными процессами старе­ние блоков медленно повреждает электронные механизмы. Меры за­щиты определяются в зависимости от причины или места удара грозо­вого разряда.

Формы импульсов

Испытательный ток, вызываю­щий повышение потенциалов

Во время грозовых явлений мощ­ный ток молнии направляется к земле. Если молния попадает в здание с системой внешней молни­езащиты, у сопротивления зазем­ления молниезащитного уравнива­ния потенциалов возникает паде­ние напряжения, представляющее собой перенапряжение по отноше­нию к окружающей среде. Такое повышение потенциала представ­ляет угрозу для электрических си­стем (например, для силовых се­тей, телефонных систем, кабельно­го телевидения, контрольных ли­ний и т.д.), которые вводятся в зда­ние. Для испытания различных устройств защиты от ударов мол­нии и импульсного перенапряже­ния в национальных и международ­ных нормах были определены со­ответствующие испытательные то­ки.

Прямое попадание молнии: фор­ма импульса 1

Токи молнии, возникающие при прямом ударе, можно воспроизве­сти с помощью импульсного тока формы волны 10/350 мкс. Испыта­тельный ток молнии воспроизводит как быстрое нарастание, так и большое количество энергии есте­ственной молнии. Испытания над молниеразрядниками типа 1 и эле­ментами внешней молниезащиты - проводятся с помощью этого тока.

Удаленные удары молнии или коммутационные процессы: фор­ма импульса 2

Перенапряжения, обусловленные удаленными ударами молнии и коммутационными процессами, воспроизводятся с помощью испы­тательного импульса 8/20 мкс. Объем энергии этого импульса значительно меньше, чем испыта­тельный ток волны импульсного то­ка 10/350 мкс. Но именно такая форма импульса воспроизводится при испытаниях. С ее помощью проводятся испытания над молние- разрядниками типов 2 и 3.

Прямые удары молнии

Прямое попадание молнии в зда­ние

Часто удар молнии попадает непо­лна средственно в систему внешней молниезащиты или в проводящие заземленные кровельные над­стройки (например, в антенны). В таких случаях ток молнии сначала следует безопасно отвести к по­тенциалу земли. Но одной системы молниезащиты для этого недоста­точно. Из-за полного сопротивле­ния заземляющего устройства по­тенциал всей системы заземления здания значительно повышается. Это увеличение потенциала приво­дит к разделению токов молнии. Через заземляющее устройство здания, а также по силовым и телекоммуникационным линиям ток молнии распределяется по близлежащим заземляющим устройствам.

Таким образом, ток молнии может воздействовать на соседние здания, низковольтные трансформаторы и др. 

Угроза: импульс молнии (10/350).

Прямое попадание молнии в низ­ковольтную воздушную линию

Прямое попадание молнии в низ­ковольтную воздушную или теле­коммуникационную линию может вызвать попадание в соседнее зда­ние высоких частичных токов мол­нии. Перенапряжения представ­ляют особую опасность для элек­трических установок зданий, рас­положенных в конце низковольт­ных воздушных линий.

Угроза: импульс молнии (10/350).

Причины возникновения перенапряжений 

Коммутационные перенапряже­ния в низковольтной воздушной линии

Коммутационные перенапряжения возникают в результате включений и выключений, при переключении индуктивных и емкостных нагру­зок, а также при прерывании токов короткого замыкания. Отключение производственного оборудования, систем освещения или трансфор­маторов может привести к повре­ждению электрических приборов, расположенных поблизости.

Угроза: импульс перенапряжения (8/20)

Ввод перенапряжений, обуслов­ленных близкими и удаленными ударами молнии

Даже при наличии системы защиты от молнии и импульсных пере­напряжений близкий удар молнии может вызвать появление дополни­тельных магнитных полей, которые, в свою очередь, индуцируют высо­кие пики напряжения в сетях. В радиусе до 2 км вокруг точки уда­ра молнии могут возникнуть повре­ждения из-за индуктивной или гальванической связи.

Угроза: импульс перенапряжения (8/20)

Ступенчатое снижение перенапряжений по концепции зон молниезащиты

Концепция зон молниезащиты

Наиболее рациональной и эффек­тивной является концепция зон молниезащиты, описанная в меж­дународном стандарте IEC 62305­4 (DIN VDE 0185 часть 4). В осно­ву этой концепции положен прин­цип, который заключается в поэтапном снижении перенапря­жений до безопасного уровня, прежде чем они смогут достичь оконечного прибора и привести к его повреждениям. Для этого вся энергетическая система зда­ния разделяется на зоны молние­защиты (LPZ = Lightning Protection Zone). На каждом переходе между зонами устанавливается молниеразрядник для уравнивания потен­циалов, который соответствует необходимому классу требований.

Зональные переходы и защитные устройства

Преимущества концепции зон

молниезащиты • Минимизация ввода помех в другие сети путем отвода опасных токов молнии непосредственно у ввода проводов в здание.

• Предотвращение помех, вызванных действием магнитных полей.
• Экономичная и грамотно разработанная концепция индивидуальной защиты для новых и реконструируемых зданий.

Типовые классы устройств защиты от перенапряжений.

Согласно DIN EN 61643-11, устройства защиты от перенапряжений ОБО Беттерманн подразделяются на 3 типовых класса: тип 1, тип 2 и тип 3 (ранее B, C и D). В этих нормах указаны строительные предписания, а также требования и меры контроля для разрядников, применяемых в сетях переменного тока с номинальным напряжением до 1000 В и номинальной частотой 50  - 60Гц.

Правильный выбор устройств защиты

Данная классификация позволяет сделать выбор разрядников в соответствии с различными требованиями по месту установки, уровню защиты и допустимого тока. Обзор зональных переходов приведен в таблице ниже. В ней также указано, какие устройства защиты должны применяться для силовых сетей.  

 Система уравнивания потенциалов

 При проектировании и монтаже системы уравнивания потенциалов необходимо учитывать требования различных стандартов. Обзор действующих стандартов ЕС представлен в таблице.

 Правила выполнения системы уравнивания потенциалов в России определены стандартом МЭК 364-4-41 и пп. 1.7.82, 1.7.83, 7.1.87, 7.1.88 ПУЭ 7-го изд.

 Задачи и функции системы внутренней молниезащиты

Задача системы внутренней молниезащиты заключается в предотвращении опасного искрообразования внутри строительного сооружения-объекта защиты. Искрообразование возникает, прежде всего, следствием протекания по проводнику (токоотводу) тока молнии. В результате возникает высокая разница потенциалов между металлическими и проводящими элементами установки. Прежде всего, необходимо  обеспечить защиту  силовых и телекоммуникационных сетей. Это требуется, т. к  система заземления и уравнивания потенциалов устанавливает прямое соединение между системой внешней молниезащиты и зданием. Для предотвращения повреждений внутри сооружения требуется уравнивание потенциалов согласно DIN EN 62305 (IEC 62305).

Соединяемые компоненты

С системой уравнивания потенциалов необходимо соединитть следующие элементы строительного сооружения:

• металлические каркасы сооружения;
• металлические элементы;
• наружные проводящие элементы;
• устройства электропитания и телекоммуникаций.

Установка системы уравнивания потенциалов

Систему уравнивания потенциалов необходимо установить в подвальном помещении или на уровне грунта. При этом силовые и телекоммуникационные линии необходимо соединить с систоей с помощью молниеразрядника (типа 1). Разрядники следует соединить с системой уравниванием потенциалов как можно ближе ко вводу линий в сооружение. Подключение разрядников должно выполняться в соответствии с нормами DIN VDE 0100-534. Минимальные размеры для соединительных элементов (если по причине других норм не требуется больших поперечных сечений):

• • медь: 16 мм² ;
• • алюминий: 25 мм² ;
• • сталь: 50 мм² .

 Правила выполнения системы уравнивания потенциалов определены стандартом МЭК 364-4-41 и пп. 1.7.82, 1.7.83, 7.1.87, 7.1.88 ПУЭ 7-го изд. Эти правила предусматривают подсоединение всех подлежащих заземлению проводников к общей шине (рис. ниже).

Такое решение позволяет избежать протекания различных непредсказуемых циркулирующих токов в системе заземления, вызывающих возникновение разности потенциалов на отдельных элементах электроустановки.

На рис. 2. приведен пример выполнения системы уравнивания потенциалов в электроустановке жилого дома.

ПУЭ 7-го издания (1999 г.) пп. 7.1.87, 7.1.88 предписывают устройство основной системы и системы дополнительного уравнивания потенциалов следующим образом.

п. 7.1.87. На вводе в здание должна быть выполнена система уравнивания потенциалов путем объединения следующих проводящих частей:

• основной (магистральный) защитный проводник;
• основной (магистральный) заземляющий проводник или основной заземляющий зажим;
• стальные трубы коммуникаций зданий и между зданиями;

металлические части строительных конструкций, молниезащиты, системы центрального отопления, вентиляции и кондиционирования. Такие проводящие части должны быть соединены между собой на вводе в здание.

Рекомендуется по ходу передачи электроэнергии повторно выполнять дополнительные системы уравнивания потенциалов.

п. 7.1.88. К дополнительной системе уравнивания потенциалов должны быть подключены все доступные прикосновению открытые проводящие части стационарных электроустановок, сторонние проводящие части и нулевые защитные проводники всего электрооборудования (в том числе штепсельных розеток).

Для ванных и душевых помещений дополнительная система уравнивания потенциалов является обязательной и должна предусматривать, в том числе, подключение сторонних проводящих частей, выходящих за пределы помещений. Если отсутствует электрооборудование с подключенными к системе уравнивания потенциалов нулевыми защитными проводниками, то систему уравнивания потенциалов следует подключить к РЕ шине (зажиму) на вводе. Нагревательные элементы, замоноличенные в пол, должны быть покрыты заземленной металлической сеткой или заземленной металлической оболочкой, подсоединенными к системе уравнивания потенциалов. В качестве дополнительной защиты для нагревательных элементов рекомендуется использовать УЗО на ток 30 мА.

Не допускается использовать для саун, ванных и душевых помещений системы местного уравнивания потенциалов.

ПУЭ 7-го издания (2002 г.) п.п. 1.7.82, 1.7.83 предписывают устройство основной системы и системы дополнительного уравнивания потенциалов следующим образом:

п. 1.7.82. Основная система уравнивания потенциалов в электроустановках до 1 кВ должна соединять между собой следующие проводящие части:

1) нулевой защитный PE- или PEN-проводник питающей линии в системе TN;

2) заземляющий проводник, присоединенный к заземляющему устройству электроустановки, в системах IT и ТТ;

3) заземляющий проводник, присоединенный к заземлителю повторного заземления на вводе в здание (если есть заземлитель);

4) металлические трубы коммуникаций, входящих в здание: горячего и холодного водоснабжения, канализации, отопления, газоснабжения и т.п.

Если трубопровод газоснабжения имеет изолирующую вставку на вводе в здание, к основной системе уравнивания потенциалов присоединяется только та часть трубопровода, которая находится относительно изолирующей вставки со стороны здания;

5) металлические части каркаса здания;

6) металлические части централизованных систем вентиляции и кондиционирования. При наличии децентрализованных систем вентиляции и кондиционирования металлические воздуховоды следует присоединять к шине РЕ щитов питания вентиляторов и кондиционеров;

7) заземляющее устройство системы молниезащиты 2-й и 3-й категорий;

8) заземляющий проводник функционального (рабочего) заземления, если такое имеется и отсутствуют ограничения на присоединение сети рабочего заземления к заземляющему устройству защитного заземления;

9) металлические оболочки телекоммуникационных кабелей.

Проводящие части, входящие в здание извне, должны быть соединены как можно ближе к точке их ввода в здание.

Для соединения с основной системой уравнивания потенциалов все указанные части должны быть присоединены к главной заземляющей шине при помощи проводников системы уравнивания потенциалов.

п. 1.7.83. Система дополнительного уравнивания потенциалов должна соединять между собой все одновременно доступные прикосновению открытые проводящие части стационарного электрооборудования и сторонние проводящие части, включая доступные прикосновению металлические части строительных конструкций здания, а также нулевые защитные проводники в системе TN и защитные заземляющие проводники в системах IT и ТТ, включая защитные проводники штепсельных розеток.

Для уравнивания потенциалов могут быть использованы специально предусмотренные проводники либо открытые и сторонние проводящие части, если они удовлетворяют требованиям п. 1.7.122 ПУЭ к защитным проводникам в отношении проводимости и непрерывности электрической цепи.

В последнее время, с повышением оснащенности современных жилых домов и производственных зданий различными электроприборами и постоянным развитием их электроустановок все чаще стали наблюдаться явления ускоренной коррозии трубопроводов систем водоснабжения и отопления. За короткое время — от полугода до двух лет на трубах как подземной, так и воздушной прокладки образуются точечные свищи, быстро увеличивающиеся в размерах.

Причиной ускоренной точечной (питтинговой) коррозии труб в 98 % случаев является протекание по ним блуждающих токов.

Применение УЗО в комплексе с правильно выполненной системой уравнивания потенциалов позволяет ограничить и даже исключить протекание токов утечки, блуждающих токов по проводящим элементам конструкции здания, в том числе и по трубопроводам.